Helgoland av Carlo Rovelli

Carlo Rovelli Electrical Engineering Helgoland Nature Quantum Physics Science Technology

Förstå kvantumrevolutionen

Helgoland by Carlo Rovelli

Köp bok - Helgoland av Carlo Rovelli

Vad är handlingen i Helgolandsromanen?

En drömsk och lyrisk studie av kvantfysik, Helgoland (2021) utspelar sig år 2021. Det konstiga subatomära universum som beskrivs i denna lilla bok är ett där ingenting någonsin kan vara helt klart.< /p>

Vem är det som läser Helgolandsromanen?

  • Fysiker som är intresserade av vetenskapens historia men inte är professionella
  • Aspirerande psykonauter som vill lära sig mer om atomernas konstiga värld
  • Alla som är intresserade av att ta en surrealistisk blick på verkligheten

Vem är Carlo Rovelli, och vad är hans bakgrund?

Fysikern Carlo Rovelli är chef för forskargruppen Quantum Gravity vid Centre de Physique Théorique i Marseille, Frankrike, där han arbetar som teoretisk fysiker. Många av hans verk, som Seven Brief Lessons on Physics, Reality Is Not What It Appears och The Order of Time, har varit bästsäljare inom sina respektive fysikområden.

Vad innehåller det för mig? En titt på den senaste utvecklingen inom kvantfysik.

Werner Heisenberg kunde inte sluta nysa sommaren 1925, som råkade vara allergisäsongen. Den 23-årige forskaren flydde till Helgoland, en liten klippö i Nordsjön, för att lindra sina hösnuvasymptom. Han börjar noggrant fundera över atomer medan han är här, äntligen kan han ta ett djupt andetag. Hans upptäckter kommer att ha en djupgående inverkan på fysiken och vår förståelse av verkligheten. Baserat på fysikern Carlo Rovellis utmärkta berättelse, berättar dessa anteckningar om den spännande berättelsen om hur kvantmekaniken kom att upptäckas och upptäcktes av forskare. När du går igenom boken kommer du att lära dig vad Heisenbergs idéer berättar om subatomära partiklars bisarra och paradoxala värld, och du kommer att se hur hans upptäckter avslöjade problem som fortsätter att förvirra forskare idag. Upptäck hur hösnuva hjälpte forskare att upptäcka kvantfysik, när en sak faktiskt inte är ett objekt, och varför multiversum inte krävs i dessa anteckningar.

Heisenberg var katalysatorn för födelsen av ett nytt och komplicerat forskningsområde känt som kvantfysik.

Att vara en ung, ambitiös vetenskapsman i början av 1900-talet var en spännande tid att leva. Den danske fysikern Niels Bohr har upptäckt ett märkligt fenomen som har förbryllat forskare i årtionden. Han har upptäckt att när de värms upp producerar atomer ljus vid speciella frekvenser som är unika för dem. Dessa mönster indikerar att elektroner, de små subatomära partiklarna som susar kring en atoms kärna, bara kretsar på vissa avstånd från atomens kärna. Heisenberg är förbryllad över varför detta händer. Varför ska elektroner begränsas till vissa orbitala konfigurationer? Och varför ska de hoppa mellan banor på särskilda mätbara sätt om de inte är skyldiga att göra det? I huvudsak vill han få en bättre förståelse av kvanthoppens fysik. Den viktigaste lärdomen att ta med sig från detta är: Heisenberg var katalysatorn för födelsen av ett nytt och komplicerat forskningsområde känt som kvantfysik.

Detta var ett dilemma eftersom forskare vid den tiden inte kunde förstå elektronbanor eller kvanthoppen som inträffade mellan dessa banor. Diskreta tal används för att förklara partiklars rörelse i klassisk fysik. Dessa siffror användes för att representera variabler som plats, hastighet och energi. Det visade sig dock omöjligt att fastställa dessa faktorer när det gäller elektroner. Forskare kunde bara se förändringarna i dessa variabler när elektroner hoppade mellan banor och därför begränsade deras observationer.För att undvika denna gåta koncentrerade Heisenberg sig på det som kunde ses, nämligen frekvensen och amplituden av ljus som emitteras under dessa kvanthopp. Han skrev om de klassiska fysikaliska principerna och ersatte varje individuell variabel med en tabell eller matris som representerade all potential förändringar som kan ske i världen. Men även om aritmetiken var mycket komplex, var resultatet exakt vad Bohr hade sett.

Den andra vetenskapsmannen, Erwin Schrödinger, antog ett tillvägagångssätt som var lite annorlunda än de andra. Det var hans övertygelse att elektroner inte bara var en samling partiklar som kretsade runt en kärna, utan att de var elektromagnetiska vågor som färdades runt den. Han kunde också exakt matcha Bohrs fynd genom att använda den mer okomplicerade matematiken i vågekvationer. Det fanns dock ett hak. Vågor är diffusa, men när elektroner detekteras av en detektor är de tydligt definierade punkter, eller partiklar, i motsats till vågor.

Hur kan vi förena dessa till synes motsägelsefulla modeller som, trots deras uppenbara inkompatibilitet, ger samma resultat? Max Born, en tredje tänkare, kunde ge en lösning. Schrödingers vågberäkningar, hävdade han, erbjöd en bättre förklaring av resultaten av elektronmätningar än Heisenbergs matrisberäkningar, som bara gav chansen att göra sådana observationer. Det verkade som om elektronerna i denna nya kvantfysik på något sätt levde som vågor tills de sågs av en extern observatör. Sedan stannar de på en enda plats. Detta resulterade i en ny, förbryllande fråga: varför hände detta?

Som ett resultat av deras existens väcker superpositioner utmanande frågor angående verklighetens natur.

 Det finns ett berömt tankeexperiment som förklarar kvantfysikens förvirrande värld på ett enkelt sätt. Den har en katt i en låda med en konstig pryl fäst vid den. Vid aktivering avger den ett starkt lugnande medel som hjälper till att få varelsen att sova. Låt oss anta att gadgeten bara aktiveras när en viss kvanthändelse inträffar, såsom sönderfallet av en atom. Låt oss vidare anta att Schrödingers ekvationer förutsäger att denna händelse kommer att inträffa vid varje givet ögonblick i tiden med en chans på två. Som ett resultat kommer vi inte att veta om händelsen har inträffat eller inte förrän vi öppnar lådan. Katten verkar både sova och pigg på samma gång.

Detta kallas en kvantöverlagring, och det händer när två motstridiga egenskaper är närvarande samtidigt i samma fysiska utrymme. Eftersom det är ett känt begrepp som är svårt att förstå, tog det årtionden för fysiker och filosofer att komma med en tillfredsställande förklaring av hur det fungerar. Den viktigaste lärdomen att ta med sig från detta är: Som ett resultat av deras existens väcker superpositioner utmanande frågor angående verklighetens natur. Den är känd som Schrödingers katt, och den tjänar till att lyfta fram ett av kvantfysikens mest grundläggande mysterier. Trots att superpositioner verkar vara omöjliga har forskare visat att de existerar. Till exempel kan en enda foton av ljus verka som om den har färdats längs två helt olika vägar! Det finns en mängd olika konkurrerande teorier om denna bisarra verklighet, som ofta kallas tolkningar.

Idén med flera universum är en möjlig förklaring. I denna modell förs konceptet med att katten är både sovande och vaken till sin logiska slutsats. Som ett resultat, eftersom chansen att utlösaren inträffar är varannan, inträffar båda händelserna, men i separata tidsramar, som visas ovan. Du som observatör lever också i var och en av dessa andra tidslinjer. Faktum är att eftersom det finns ett obegränsat antal kvanthändelser, finns det ett oändligt antal tidslinjer eller universum att överväga som ett resultat.

Hypotesen för dolda variabler, som är en rivaliserande tolkning, undviker existensen av oändliga universum genom att skilja Schrödingers våg från själva kvantpartikeln. Enligt denna teori existerar sannolikheten som Schrödinger visar på ett genuint sätt att vi gör det. ännu inte förstå, trots att den synliga fysiska världen bara tar en form. Som ett resultat, även om vi bara observerar en vaken katt, finns möjligheten för en sovande katt i vår verklighet.

Det finns dock en tredje tolkning, känd som kvantbayesianism eller QBism, som är helt annorlunda. Enligt denna teori är superpositioner och Schrödingers sannolikheter inget annat än information, och den informationen är endast delvis fullständig. När observatörerna öppnar lådan och ser katten får de mer kunskap om situationen. På detta sätt skapar betraktaren verkligheten bit för bit genom att observera världen omkring honom. Detta väcker dock frågan om vem observatören är i första hand.

Den relationella tolkningen skildrar ett universum där allt alltid förändras.

 Enligt lekmannens förståelse av kvantfysik, kvarstår kvantöverlagringar tills en observatör ingriper och avgör vad som verkligen äger rum. Som ett resultat susar en elektron omkring i ett odefinierat sannolikhetsmoln tills en vetenskapsman kommer med en elektrondetektor och, via observation, avgör var elektronen verkligen befinner sig. Men vad är det med en vetenskapsman som gör honom så unik? Finns det något hos henne som ger henne ställning som observatör med särskilda rättigheter? Hennes labbrock, hennes sofistikerade tekniska utrustning, eller hennes närvaro som en kännande varelse med förmågan att se, tänka och vara medveten är alla faktorer i hennes framgång. Sanningen är att ingen av dessa saker existerar. Observation, under den relationella tolkningen av kvantteorin, inkluderar inte se i den konventionella betydelsen av ordet. I verkligheten kan varje typ av interaktion betraktas som en observation.

Den viktigaste lärdomen här är att den relationella tolkningen skildrar en värld där allt alltid förändras. Det är lite missvisande att hänvisa till kvantteorin som "observation" när det kommer till det. En skillnad görs mellan fysikens naturliga värld och ett visst ämne, ofta en människa, som observerar denna värld från en position utanför den. Den relationella tolkningen av kvantfysiken eliminerar å andra sidan denna skillnad. Enligt detta koncept är varenda entitet i universum både en observatör och en observatör, och både observerad och observerad.

Kosmos är packat med en otrolig variation av objekt, allt från fotoner, eller ljuspartiklar, och regnbågar till katter, klockor och galaxer, bland många andra saker. Ingen av dessa entiteter, som ofta kallas fysiska system, kan existera i ett vakuum. De interagerar ständigt med varandra. Och i verkligheten är det de varierande interaktionerna mellan fysiska system som bestämmer deras egenskaper. Om något inte har någon interaktion med andra saker, existerar det inte i någon meningsfull mening.

På detta sätt kopplas alla fysiska egenskaper, som ofta kallas information, samman. Det vill säga, de är alltid i förändring, dyker upp och försvinner beroende på situationen. Detta är något vi redan vet är sant på vissa sätt. En kvalitet som hastighet kan bara upptäckas genom att undersöka sambandet mellan två saker. När du går på en båt varierar din hastighet beroende på om du mäter den med hänvisning till båtens däck eller till havets yta.

Att föreställa sig världen som ett oändligt nätverk av relationer som skapar attribut kanske inte verkar vara revolutionerande, men det är det verkligen.Låt oss återvända till historien om Schrödingers katt När katten är i lådan sover eller är den vaken beroende på dess närhet till avtryckaren, men från utsidan verkar katten inte vara någondera. Båda dessa påståenden är korrekta, eftersom olika relationer resulterar i distinkta realiteter, som tidigare sagts. Det som spelar roll är vilken relationshändelse eller referensram som undersöks vid den aktuella tidpunkten.

Relationsmodellen förenklar processen med kvantintrassling och tar bort dess mystik.

 Tänk på två fotoner som båda är i en kvantöverlagring där de är både röda och blå samtidigt. Vi kan inte fastställa det definitiva tillståndet för någon av dem förrän vi gör en observation, precis som vi inte kan identifiera det definitiva tillståndet för Schrödingers katt om vi inte gör en observation. Ändå, eftersom varje foton har två möjliga utfall, har varje färg en 50 procents sannolikhet att dyka upp när den ses. Skicka en av dessa fotoner till Wien och den andra till Peking, och se hur det går. Om vi ​​tar en titt på Wien-fotonen kommer vi att se att den kommer att visas antingen röd eller blå. Låt oss låtsas att det är färgen röd för det här exemplets skull. När vi nu ser Peking-fotonen bör det vara ungefär hälften av varaktigheten av Wien-fotonen som observeras.

Här är dock saker och ting börjar bli konstiga. Om Wien-fotonen är röd kommer Peking-fotonen alltid också att vara röd, oavsett omständigheterna. Quantum entanglement är namnet på denna till synes magiska koppling. Den viktigaste lärdomen att ta med sig från detta är: Relationsmodellen förenklar processen med kvanttrassling och tar bort dess mystik. Kvantintrassling är en av de mest ovanliga händelserna som någonsin har inträffat inom fysikens område. Även om två fotoner blir intrasslade, korrelerar eller matchar deras egenskaper, även när de är åtskilda av ett stort avstånd. Naturligtvis är ett par röda handskar också förknippade med utrymme - även om de är åtskilda av ett stort avstånd behåller de samma färg. Men tills de ses är ett par fotoner i en röd-blå superposition varken röda eller blå. Så, hur kan man tävla mot en annan?

När allt kommer omkring kan den första fotonen kunna kommunicera med den andra på något sätt. Trots detta har intrassling upptäckts över långa avstånd, trots att signalen skulle behöva färdas snabbare än ljusets hastighet. Alternativt kan paret bosätta sig på en nyans innan de separeras. Dessutom utesluter en komplicerad uppsättning ekvationer som kallas Bell-ojämlikheterna även denna teori. Så, vad exakt händer i den här situationen? Relationsmodellen kanske kan ge viss vägledning.

Tänk på att under detta paradigm kan attribut endast hittas genom interaktioner. Det faktum att ingen enhet kan se både Wien- och Peking-fotoner samtidigt innebär att ingen av dem har några faktiska egenskaper i förhållande till den andra. Den röda nyansen av Wien-fotonen är bara synlig i samband med tittare i Wien, och inte på någon annan plats. Fotonen i Peking, och faktiskt allt i Peking, stannar i en kvantöverlagring i Wiens ögon, som ett resultat. Varje jämförelse är värdelös om inte och tills båda parter ser varandra.

Ändå kan dessa till synes olikartade händelser kopplas samman. En vetenskapsman i Wien kan kommunicera med en kollega i Peking via telefon. Denna interaktion, eller observation, ger information om den röda nyansen av Wien-fotonen, vilket gör att den intrasslade fotonen ser röd ut som ett resultat. Som ett resultat finns det ingen mystisk koppling över tid och rum, utan snarare ett nät av relationer som länkar dessa samman. händelser och förse dem med sina egna egenskaper.

Filosofi och vetenskap är oupplösligt sammanlänkade i sina respektive studieområden.

 Ernst Mach är kanske den viktigaste tänkaren som aldrig har fått stor publicitet. I sina roller som vetenskapsman och filosof vann hans förmåga att generera oväntade insikter och utmanande tänkande honom både fans och kritiker över ett brett spektrum av discipliner. Machs verk kritiserades svidande av den ryske revolutionären Vladimir Lenin i hans skrifter. Alexander Bogdanov, en annan revolutionär, stod upp för dem med hämnd. Flera aspekter av Machs tankar integrerades i den episka boken, The Man without Qualities, av den berömda författaren Robert Musil. Dessutom erkänner både Einstein och Heisenberg att Machs teorier har haft en betydande inverkan på deras egna upptäckter. Så, vilka var de revolutionära idéer som Mach förespråkade som orsakade ett sådant bråk över politikens, konstens och fysikens områden? Som det visar sig föreslog han att universum består av förnimmelser, vilket har en märklig resonans med relationell kvantteori.

Den viktigaste lärdomen här är att filosofi och vetenskap är oupplösligt förbundna med varandra. Under 1700- och 1800-talen styrde ett filosofiskt antagande som kallas mekanism större delen av det vetenskapliga samfundet. På sin mest grundläggande nivå hävdade mekanismen att verkligheten fungerade på ett liknande sätt som en klocka. Kosmos var en enorm tom behållare känd som rymden, och alla fenomen bestod av materia som var rigoröst interagerande med varandra i denna behållare. Enligt Ernst var detta paradigm till hjälp, men det hade sina begränsningar. Han ansåg att begreppet mekanismer var för metafysiskt eller eteriskt. I motsats till detta ansåg han att vetenskapen borde koncentrera sig på det som kan ses, nämligen de känslor som uppstår när komponenter interagerar. Om detta låter bekant beror det på att Heisenberg motiverades av samma koncept för att studera elektronernas beteende, vilket i slutändan ledde till upptäckten av kvantteorin.

Machs idéer har å andra sidan en mycket bredare tillämpning. Fysiska saker är, enligt hans syn på verkligheten, inte autonoma komponenter som samverkar mekaniskt, utan snarare resultatet av dessa interaktioner, som skapar världen. Och observatörer anses inte vara åtskilda från systemet som helhet. De har också bara en sensorisk förståelse av universum som erhållits genom möten. Återigen tycks denna idé vara en förebådande av kvantfysikens relationella tolkning, enligt vilken egenskaper inte existerar isolerat från sin omgivning.

Att hävda att Mach hade en förkognitiv kunskap om kvantfysik är inte att antyda att han hade det. Machs iakttagelse visar å andra sidan det viktiga samspelet mellan vetenskap och filosofi. Heisenberg kanske inte hade gjort sina avgörande fynd om han inte hade ignorerat Mach och hållit fast vid idéerna om mekanismer med en så strikt följsamhet. På liknande sätt kan moderna filosofer engagera sig i de senaste vetenskapliga uppfattningarna för att vässa och förbättra sina egna åsikter om verkligheten och universum. Så, hur fungerar allt detta när det appliceras på ett svårt ämne som medveten tanke? Det kommer att diskuteras mer i detalj i nästa avsnitt.

Att undersöka relationer och samband kan ge insikt i sinnets funktion.

 Om du bara surfar på internet i några minuter kommer det att avslöja en uppsjö av innovativa tillämpningar av kvantidéer (eller, rättare sagt, felaktiga tillämpningar) inom en mängd olika områden. Gurus lovordar kvantspiritualism, bluffläkare främjar kvantterapi och teknikentreprenörer glorifierar bland annat allsköns kvantnonsens. Det verkar som om kvantfysikens inneboende konstigheter har ett sätt att tända fantasin hos dem som är intresserade av den.Kan kvantteorin å andra sidan ge ljus över livets grundläggande frågor? Är det kapabelt att förklara kärlek, belysa ursprunget till skönhet och sanning, eller ge en meningsfull förklaring av tillvaron? Nej, inte alls. Att tillämpa den relationella kvantteorins idéer på ett ämne som medvetandets natur kan dock öppna upp nya vägar för studier och undersökningar av fenomenet.

Den viktigaste lärdomen att ta med sig från detta är: Att undersöka relationer och samband kan ge insikt i sinnets funktion. Sinnets filosofi ger i allmänhet tre huvudmodeller för det mänskliga sinnet. Det finns dualism, som hävdar att sinnet existerar som en distinkt, nästan andlig, enhet från kroppen och resten av universum. Å ena sidan finns det idealism, som menar att sinnet inkluderar och står för allt som existerar. Å andra sidan finns det naiv materialism, som menar att mentala upplevelser bara är resultatet av grundläggande fysiska processer.

Relationell kvantteori kan ge ett något annat perspektiv på sinnet än traditionell kvantteori. Det är viktigt att överväga meningen med frasen för att förstå den. Betydelsen av mening i mänsklig kognition kan inte överskattas. När vi ser tecken, läser ord eller tänker på idéer vet vi att de betyder något eftersom de relaterar till, eller indikerar, något externt för oss i det fysiska universum. Enligt den tyske filosofen Franz Brentano är intentionalitet den process genom vilken vi interagerar med varandra och hittar vår väg genom verkligheten.

Men hur kommer intentionalitet till? Ett sätt att ta itu med denna fråga är att titta på relevanta relaterade fakta. Relativ information är en korrelation som uppstår när två system kommunicerar med varandra. En fallande sten är ett exempel på relativ information, som skapas när ett externt föremål, stenen, är korrelerad med ett inre tillstånd, din hjärnas bestämning av stenens nedstigning. När denna kunskap blir viktig beror det på att den påverkar din kropps reaktion, vilket är att gå ur vägen för vad som än händer.

I denna situation produceras intentionalitet av informationen som skapas av relationerna mellan utsidan och insidan: synen av en fallande sten signalerar fara, och du agerar för att undvika det som ett resultat av denna information. De fysiska processer som sker över olika system beskrivs naturligtvis bara kortfattat i denna beskrivning. Det faktum att du var tvungen att undvika en sten säger dig ingenting om din speciella upplevelse. Det är svårare att förklara hur en sådan subjektiv upplevelse kommer till. Detta kallas den "svåra frågan" om medvetande, och det fortsätter att vara en källa till kontroverser.

Att studera kvantfysik kan öppna våra ögon för nya perspektiv på universum.

 Vad ser du när du tittar på en katt? Vad är det du ser? Perception, enligt det konventionella synbegreppet, handlar i första hand om inhämtande av information. Med hjälp av kattens form, hår och morrhår reflekteras fotoner och kommer in i dina ögon. Dina näthinnor omvandlar ljuset till en signal som sedan skickas till din hjärna. Slutligen översätter dina neuroner informationen till en bild av en bedårande katt, vilket är vad du ser. Detta är dock inte helt sant. I verkligheten gör din hjärna förutsägelser om vad dina ögon ska se. Ögonen fortsätter att samla ljus, men de sänder bara signaler som är i konflikt med föregående bild. Det är dessa skillnader mellan vad vi förutser och vad vi ser som ger oss den kritiska kunskap vi behöver för att förstå den yttre världen. Den viktigaste lärdomen att ta med sig från detta är: Att studera kvantfysik kan öppna våra ögon för nya perspektiv på universum.

Med hjälp av en föreställning känd som den projektiva medvetenhetsmodellen kan vi ge en andra förklaring till synen där hjärnan spelar en ledande roll. Hjärnan, enligt denna uppfattning, genererar medvetande genom att kontinuerligt förbättra sina förutfattade övertygelser och mentala representationer som svar på information som samlats in av våra sinnen. Det betyder att vår verklighetsuppfattning är en "bekräftad hallucination" som kontinuerligt uppdateras och utvecklas. I vissa avseenden bygger vetenskap och filosofi på samma idéer. Mänskligheten utvecklar en enda bild av hur världen fungerar, och sedan, genom erfarenhet och experiment, upptäcker vi alla de sätt på vilka verkligheten skiljer sig från och motsäger denna idé om hur världen fungerar. Naturligtvis, medan våra hjärnor slutför denna process på en bråkdel av en sekund, slutför vetenskapen den på en betydligt längre tid. Det krävs en gemenskap för att testa och utveckla nya idéer, och det tar årtionden att slutföra processen.

Våra teorier om kvantfysik, som inkluderar den relationella tolkningen, är bara den senaste manifestationen av denna kontinuerliga utvecklingsprocess. För närvarande ger de oss den mest exakta representationen av verkligheten baserat på vad vi kan se, kartlägga och mäta i nuet. Det är dock en ganska udda bild att se i alla fall. Relationell kvantfysik skildrar ett universum där objekt som är statiska och stadiga inte existerar. Till skillnad från diskreta saker som interagerar i rymden, består verkligheten helt av ett nät av interaktioner där händelser konvergerar och försvinner i ett oändligt skum. Även vi fastnar i virveln av mellanmänskliga relationer. Det är möjligt att denna ständiga störtflod av anslutningar är ansvarig för vår identitet, eller subjektivitet. Att se världen på det här sättet kan verka konstigt, till och med hallucinogent, men för närvarande har denna hallucination verifierats, och vi bör vänta och se vart det leder oss härnäst.

Slutningen av romanen Helgoland.

Dessa anteckningar förmedlar följande huvudbudskap: I början av 1900-talet började en grupp unga vetenskapsmän, särskilt en allergibenägen Werner Heisenberg, dekonstruera den konventionella förståelsen av fysik. Deras kvantuniversumparadigm, som kännetecknas av osäkerhet och sannolikhet, ersatte den tidigare deterministiska och mekaniska världsmodellen. Enligt den relationella tolkningen av kvantfysiken är kvantverkligheten sammansatt av ett nät av instabila samband — vad som är verkligt och sant kan förändras beroende på vilka relationer som äger rum.

Köp bok - Helgoland av Carlo Rovelli

Skrivet av BrookPad Team baserat på Helgoland av Carlo Rovelli

 

.


Äldre inlägg Nyare inlägg


Lämna en kommentar

Observera att kommentarer måste godkännas innan de publiceras